Neuronale Navigation: Wie Nervenfasern sich ihre Wege bahnen

Die korrekte Wahrnehmung der Umwelt beruht auf der Ausbildung einer funktionstüchtigen Verbindung zwischen Auge und Gehirn. Während der Embryonalentwicklung senden die Nervenzellen der Netzhaut mobile Fortsätze mit großer Präzision in das Sehzentrum des Mittelhirns. Die wachsenden Fortsätze sind mit spezialisierten Spitzen, den Wachstumskegeln, ausgerüstet. Durch "chemisches Abtasten" erforschen die Wachstumskegel ihre Umgebung und bahnen sich dann aktiv einen Weg durch das Gewebelabyrinth des entstehenden Embryos. Eine besondere wissenschaftliche Herausforderung ist, die molekularen Vorgänge bei dieser gerichteten Navigation zu untersuchen, auch um in Zukunft Therapieformen gegen Blindheit entwickeln zu können. Die Navigation von Nervenfasern wird von unterschiedlichen Molekülen innerhalb des Wachstumskegels unterstützt. Antennen-Moleküle auf der Oberfläche erkennen Signal-Moleküle in der Umgebung der Nervenzelle. Die Antennen leiten die erhaltenen positionellen Informationen ins Innere des Wachstumskegels auf sogenannte Übersetzungsmoleküle, die wiederum mit dem strukturgebenden Zellskelett in Kontakt stehen. Auf ein Signal von Außen hin, kann das Zellskelett so blitzschnell auf- und abgebaut werden, was Richtung und Geschwindigkeit der Navigation beeinflußt. Das Zusammenspiel der Moleküle im Wachstumskegel ist sehr komplex und noch weitgehend unerforscht. Mit Hilfe neuartiger Versuchsansätze und spezieller Techniken ist es aber möglich, die molekularen Mechanismen der gerichteten neuronalen Navigation aufzuklären. Ein erstes Ziel auf diesem Weg ist, Wachstumskegel von Netzhautganglienzellen während der Navigation zu beobachten und ihre Bewegungen statistisch zu analysieren. Dazu werden hochauflösende Video-Mikroskopie, schnelle Bildverarbeitungssysteme und moderne Computerprogramme benutzt, welche erlauben, die Nervenzellen direkt während des Wachstumsprozesses in Echtzeit zu verfolgen. Interessant ist vor allem die Frage, ob und wie die Wachstumskegel auf Signal-Moleküle in ihrer unmittelbarer Umgebung reagieren. Dazu werden sie zuerst in der "künstlichen" Umgebung einer Zellkulturschale einzelnen ausgewählten Signal-Molekülen ausgesetzt und deren Einflüsse auf das Aussehen der Wachstumskegel, deren Geschwindigkeit und Navigationsrichtung registriert. In anderen Experimenten werden die Wachstumskegel im komplexen Gewebe der Netzhaut und des optischen Nerves untersucht. Durch gezielte Inaktivierung bestimmter Signal-, Antennen- oder Übersetzungsmoleküle ist es möglich, in die Wanderung der beobachteten Wachstumskegel einzugreifen. Dabei wird eine neue erfolgreichen Methode, die "Chromophore-assisted laser inactivation" (CALI), welche von Professor Daniel Jay an der Harvard-Universitat entwickelt wurde, eingesetzt. Ein feiner Laserstrahl von nur 10 m n Durchmesser, wird auf ausgewählte Stellen, z.B. auf Teile des Wachstumskegels oder des Fortsatzes der zu untersuchenden Nervenzelle, gerichtet. Er zerstört aber nur die Moleküle, welche über einen Antikörper mit einem Radikal-aussendenden Farbstoff markiert sind, und zwar mit so großer räumlicher Auflösung, daß der Rest der Zelle vollkommen intakt verbleibt und allgemeine Entwicklungsvorgänge nicht beeinträchtigt: werden. Je nach Anzahl und Art der eingesetzten Antikörper können Antennen- und Übersetzungsmoleküle einzeln oder in Gruppen inaktivieren werden. Eine detaillierte statistische Analyse über Veränderungen im Aussehen und Verhalten der Wachstumskegel, wie z.B. Verlangsamung und Richtungsänderung, geben dann Aufschlüsse über die Funktion und das Zusammenspiel dieser Moleküle während der Navigation. Diese Versuche werden die Erstellung eines detaillierten molekularen Modells des Nervenfaserwachstum ermöglichen und so helfen, in Zukunft Schilden im Nervensystem beheben zu können.